夸克星

夸克星是一種假設的星體，被認為是由強烈的相互作用形成的。根據理論，恆星死亡時會在自身重力的影響下發生坍縮，若其質量為中等，即約比太陽的質量多1.44倍，重力就足夠將恆星物質中的電子和質子擠壓到一起形成中子星；若該恆星質量更大，中子可能破碎成自身的組成成分，即夸克。在一定的壓力下半數由中子分離而成的夸克能夠轉化為奇夸克，產生一種更加緻密的物質類型。這時的星體就是由奇夸克緊密結合在一起所構成的“夸克星”。

基本介紹

• 中文名：夸克星
• 外文名：Quark Star
• 性質：是一種假設的星體
• 定義：由強烈的相互作用形成的
• 中子星：電子被壓縮成中子星
• 學科：天文學

基本介紹

夸克星是由奇夸克物質組成，是一種假設的星體。理論上，奇夸克物質（簡稱奇物質）是在特別重的中子星里形成的密度極端高的一種物質狀態。根據此理論，當構成中子星的中子因為受到本身重力塌陷的高度壓縮，個別的中子會因此崩壞，組成中子的夸克會分離開來，進一步轉化成奇夸克，也就是“奇物質”。這時的星體就是直接由奇夸克緊密結合在一起所構成的“夸克星”或是“奇物質星”（簡稱“奇星”），整個星體幾乎就是單一的一顆巨大的中子（對比來說，白矮星只是密集的原子核，而中子星就可以看作是一個巨大的原子核（中子團），夸克星就是一個巨大的中子，黑洞就是一個理論上的奇點，體積為0）。以重量和密度來分類，夸克星是介於黑洞和中子星之間，如果再有足夠的物質加入夸克星里，它之後會再繼續收縮塌陷而成為黑洞。

夸克模型

夸克星模型

以夸克水平為基礎的星體在理論模型上至少有三種，“奇異夸克星”、“孤子星”及“玻色星”。

奇異夸克星

“奇異夸克星”是科普文章通稱的“夸克星”，成分以奇異物質為主，主要建立在威滕假說上，專業學者文章多以“奇異星”來區分其差異，強調出其為奇異物質所組成的夸克星，由於“奇異星”有時會跟“奇特星”（Exotic star）發生混淆，而“孤子星”及“玻色星”本身都有專有名詞，故一般稱“夸克星”系指“奇異夸克星”，而專業研究者之間因為有共通語言，因此學術論文中則大多以“奇異星”來避免泛指所有類型的夸克星。

“奇異夸克星”在“希格斯玻色子”的能階確認以後，是否能夠稱為“夸克星”已經開始形成一個重要的疑問，希格斯玻色子的能階明顯導致“奇異夸克星”不是單純地由“奇異物質團”所構造成的，原有的理論需要大幅度進行修正。其次，質子大小的實驗數據，導致原有夸克星的短距力計算需要全部重新推導，新的物態方程尚未有任何研究報告發表。

孤子星

“孤子星”（Soliton Star）以諾貝爾獎得主李政道所推出的“非拓樸性孤子”（Non-topological soliton, NTS）為理論基礎（拓樸性孤子的模型目前有Skyrmion），主要是以純粹“費米子”具有孤子波性質的“孤子”來組成夸克星，被認為是“暗物質”的最佳候選者。由於宇宙間有95%以上的物質屬於暗物質（26.8%）或暗能量（68.3%），孤子星為暗物質的最佳候選者，“孤子星模型”則在天體物理學當中形成一大門派，在宇宙學上是非常重要的一個分支，解釋了宇宙間觀測到的質量遺失問題。

玻色星

“玻色星”則為以純粹玻色子來組成夸克水平的星體（複合玻色子），由於普通的星體一般是以費米子為主的重子所組成，星爆不能供應足夠的玻色子，玻色星被認為不能由星爆產生，而是由大爆炸時期所遺留下來的暗物質，或是存在於星系核當中作為“巨質量玻色星”。因為希格斯玻色子的加入，“巨質量玻色星”應該是最常見的形式，星系核在這一理論當中被認為是玻色星而非黑洞所組成的，此即為“銀河中心星系核是由暗物質所組成”的說法來源，此一說法比“銀核是由黑洞所組成”更加合理，矛盾較少，同時作為星系核的玻色星無法任意被製造出來，也是觀測當中沒有見過黑洞吸聚物質因而產生嬰兒銀河的合理解釋。玻色星的性質相當奇怪，活動模式也非常多樣化，許多人關注的黑洞、孤子星、夸克星及重力真空星的活動與玻色星相較之下可說堪稱無聊至極，由此可見玻色星具有很高的研究價值。

另外還有一些理論尚不成熟的部分類型夸克星模型推出，例如：“裸奇異星”、“混雜態夸克星”與“夸克行星”。

黑星

有些觀點認為，作為黑洞替代方案最佳選擇之一的黑星（Black star）：“重力真空星”，其真空極化外殼組成成分因為是透過玻色愛因斯坦凝聚態所產生的，由於大部分天體都是由重子所組成的，而重子的成分是由夸克所組成的，因此天體坍縮後形成的重力真空星也應該是夸克所組成的，所以“重力真空星”應該也是屬於夸克星的一種類型，不過“重力真空星”並未推導出其內部實際組成物質。

此外“重力真空星”雖無奇點，但是卻有一個類似“事件地平面”的“擬事界”，星體活動近似於黑洞，使得外部觀測者沒有任何手段來區分重力真空星與黑洞的差別，要透過觀測來證明其組成物質為夸克，存在巨大的技術難度，難以提供確切證據說明理論的正確性，此外理論中隱含使用了“時間量子”（chronon）的維度緊化，用以解釋緻密星的時間停滯現象與坍縮空間壁的產生過程，而“時間量子”在物理實驗中尚未被發現，因此要說服大部分天體物理學家做此歸類，恐怕還需要更多的理論推導與實驗觀測。

結構組成

夸克星的結構其實很簡單，不像中子星那樣分為很多層，其密度分布大致為常數。只要質量不是太大，夸克星中心密度不到表面密度的兩倍，且面密度會在約1fm的尺度上速降為零。這是由於整星體是強相互作用約束的體系，夸克由於色禁閉效應可能逃離表面太遠。星體內部除了夸克之外還存在電子。因電子只受比強相互作用弱得多的電磁約束，所以它們分布比較彌散，在夸克表面之外有一定延伸。因有夸克和電子保持電中性，這樣就不可避免地在夸克表面形成很強的電場。這一強電場的存在將一定程度上阻礙原子核與夸克物質之間的強作用，從而使得夸克星表面以上撐起一個最大質量約10E（-6）倍太陽質量的殼層。如果夸克星果真具有這樣一個殼層，那么它的輻射特徵包括熱輻射和非熱輻射將與中子很難區分。然而，因夸克星誕生時具有強大的中微子光子輻射場，且擁有強磁場並快速自轉，一般情況下很難形成這種殼層。沒有殼層、表面直接裸露於星際空間的奇異星稱為裸奇異星。裸奇異星表面粒子具有強的束縛能；而脈衝星某些射電輻射特徵可能表明表面粒子束縛能遠比中子星高。如果進一步認為其內部的夸克物質呈現固態，那么這種固體裸奇異星的表面輻射特性或許應該類似於金屬，電子處於連續態。至今沒有明確探測到原子譜線可能就反映了這一屬性。固態奇異星類似剛體，可以表現出長期進動。另外，當固態奇異星內部應力積累到一定程度時或許發生應力迅速釋放,從而導致星震。固態奇異星星震會導致兩種後果：轉動慣量的突然改變和能量包括彈性能和引力能等的快速釋放。前者可能與觀測到的自轉突跳glitch有關，而後者可以解釋一類天體（軟γ射線重複暴）巨大高能射線耀斑現象。

地球表面的中子星和夸克星

黑暗物質說

某些學說認為“奇物質”可能就是暗物質。

夸克星

夸克星仍只是理論上的假設星體，尚未獲得證實，但是在2002年4月10日由錢德拉X射線天文台所觀測到的兩個星體，RXJ1856和3C58，則被認為可能是夸克星。在這之前，這兩個星體一直被認為是中子星。根據已知的物理定律，如果它們確實是中子星，那么RXJ1856似乎過小，而3C58則是過冷，以此推論這兩個星體應該是由比中子星密度更高的物質所構成。一些學者則認為這些觀察結果仍不足採信。至於夸克星是否真的存在就要看未來這些研究成果是否能夠獲得普遍的接受和證實。

RXJ1856，3C58

兩顆古怪的星星，一顆太老，一顆太小，全不符合已知的天文學模式，為全新物質 的存在提供了證據。科學家相信，這兩顆怪星不可能由原子，甚至亞原子微粒———中子構成，而可能是由亞亞原子微粒夸克 構成。這兩顆怪星發出的高強度的X光線引起了美國宇航局(NASA)的錢德拉X光天文台的注意，最初，科學家們以為它們可能是中子星，在證實夸克星存在之前，中子星是為人類所知的密度最大的恆星殘骸。大恆星發生超新星爆發後，它們的核心聚 變形成中子星。中子星有無法想像的超密度：一茶匙中子星物質重達20億噸，或者說相當於全世界汽車的總重量。這是因為 它們是由緊挨著的中子構成的，而地球上的物質由包含中子、質子和電子的原子構成，中間有大量空隙。天文學家們相信，這 兩顆新星的密度可能超過中子星。構成中子星的中子夸克排列稀鬆，被稱為受限夸克。而兩顆怪星可能是由緊貼排列的自由夸克構成，它們比受限夸克少占空間。如果天文學家的猜想被證實，它們將是最先被發現的夸克星，之前，夸克星還只 存在於科學家的理論中。(BUZZ)

怪星1：體積太小引起科學家關注的怪星之一體積非常小。哈佛—史密森尼亞中心的星際物理學家傑瑞米·德拉克(JeremyDrake) 說：“到目前為止，我們一直力圖從最細微的層次理解自然，這其中包括深入發掘物質的細節。最新的觀察結果可能打開了通 向自然界最微小結構的視窗。”南冕座星群的一個代號RXJ1856的物體引起了德拉克和他的研究小組的注意。RXJ1856 距離地球大約400光年(1光年=光一年穿行的距離，約相當於6萬億英里)天文學家最初以為，這是一顆中子星，但當他 們用錢德拉天文台和哈勃太空鏡進一步觀測後，發現怪星的直徑不超過10英里，低於中子星的最低標準(直徑12—20英 里)。德拉克說，對體積這樣小的星星解釋只能是一顆中子星壓縮直到產生自由夸克，形成夸克星。

怪星2：老得出奇第二怪星則出奇地老，它位於仙后座星群，代號3C58，距離地球約1萬光年。研究這顆老怪星 的哥倫比亞大學天文學家大衛·赫范德(DavidHelfand)說：“早在1181年，亞洲天文學家記載了它的超新 星爆發，如果以中子星標準推算，天文學家估計，今天它應該冷卻到3560萬攝氏度，但事實上，它只有大約100萬攝氏 度，這對於中子星而言太冷了。”赫范德認為，即使以中子星的密度也不能以足夠快的速度擠壓出微粒，達到如此迅速冷卻， 3C58必須有5倍於中子星的密度。“根據我們的觀測推斷，它的核心是由陌生的新材料構成的。”

“夸克星”

研究顯示，有些恆星在演化末期可能會變成“夸克星”。當星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時，密度大增會把夸克擠出來，最終一個太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會發光。

夸克理論認為，夸克都是被囚禁在粒子內部的，不存在單獨的夸克。一些人據此提出反對意見，認為夸克不是真實存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預言都與實驗測量符合得很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。

RX J185635-375：夸克星的候選者

戴阿科諾夫預測

1997年，俄國物理學家戴阿科諾夫等人預測，存在一種由五個夸克組成的粒子，質量比氫原子大50%。2001年，日本物理學家在SP環－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑膠時，發現了五夸克粒子存在的證據。隨後得到了美國托馬斯·傑裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學家們的證實。這種五夸克粒子是由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成的，它並不違背粒子物理的標準模型。這是第一次發現多於3個夸克組成的粒子。研究人員認為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中第一個被發現的成員，還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。

鄭廣生觀點

2009年，香港大學的鄭廣生等人在著名的arxiv網站上發表文章，提出163000光年外大麥哲倫星雲的SN 1987A可能不是中子星，而是天體物理學家們苦苦尋覓的夸克星，這種奇異物質將為我們透露關於早期宇宙的信息。

產生途徑

天文學家宣布，一種罕見的高光度恆星爆發可能已導致了新型物質的產生，即通常所說的夸克星。而夸克星的存在與否，若存在其生成過程又是怎樣，都會是天文學的重大課題。

在有記錄的3個異常光度超新星的爆發中，有一個是加州理工學院帕洛馬天文台的機器人望遠鏡首次觀測到的。根據其觀測報告並與之前數據綜合，加拿大天文學家指出，這3個超新星每一個亮度都是常規超新星的100倍，其爆發意味著一個之前沒有觀測到的新物體的產生。天文學家進而分析說，3個超新星中的每一個都可能是由中子星爆發轉換成為夸克星的。

夸克星的重量和密度介於中子星與黑洞之間，如有更多物質加入引發坍縮，則最終能形成黑洞，甚至有專家認為其與暗物質關係密切。但只有進一步的觀察才能對夸克星的假設作最後推論，下一步，天文學家將啟用高速計算無線寬頻研究與教育網來傳送研究數據，以期用最高科技來接近夸克星的真實面目。

發現

迄今傳統觀點一直認為夸克星的尺寸應該比中子星小。這看上去似乎是合理的，因為夸克星是在中子星的基礎上進一步坍縮而成的，這使得其中的物質會變得更加緻密，於是占用的體積就會減少。但根據一個由德國、瑞士和美國科學家組成的國際合作小組的最新計算，夸克星實際上可能會比它們的表兄中子星大。但這怎么可能呢？

這些複雜的計算牽涉到中子星和夸克星的“狀態方程”，它描述了組成這兩類天體的物質本身的性質。他們的計算結果顯示，一顆質量為太陽2.5倍的夸克星會比質量為太陽2倍的中子星要來得大。

這一發現對於尋找潛在的夸克星而言是非常有趣的。如果天文學家發現了一顆具有2.5個太陽質量的大型中子星的話，也許他們真正看到的其實是一顆夸克星。

一旦發現了夸克星，它不僅對於天文學家而言具有重要的意義，對於在歐洲核子中心工作的物理學家而言也是如此，他們可以藉此獲得自然產生的“奇異夸克物質”的大量信息。雖然大型強子對撞機可以製造出高溫“夸克膠子電漿”，但實驗室里至今還無法製造出奇異夸克物質，所以夸克星的發現將會惠及天體物理學家和粒子物理學家。